Mejora del diagnóstico y de la hemodinámica en la revascularización carotídea : aplicación de la dinámica de fluidos computacional mediante el OpenFOAM® y otras herramientas de libre distribución

Stroke is a major cause of death and disability in Spain and in the Western world. It is often caused by an accumulation of atherosclerotic plaques on the walls of carotid arteries. Carotid revascularization may be the solution chosen by the specialist. This choice depends directly on the symptoms, the diagnosis and the potential benefits vs. costs of performing surgery. Hemodynamics plays a crucial role in all decision making. The conventional methods for analyzing hemodynamics are Doppler ultrasound, computed tomography angiography (CTA) and magnetic resonance angiography (MRA). These methods may be enriched with the numerical simulation of blood flow in the area of interest, using techniques of computational fluid dynamics (CFD). The result of the simulations can be used to improve diagnosis and to propose hemodynamic improvement during surgery or treatment. It can also provide conclusions on the progress of the patient. However, it is currently very difficult to perform these simulations and reach valid conclusions. This difficulty is due to the state of the technique and to the lack of scientific consensus in regard to clinical aspects, data gathering and processing, reproduction of geometries, construction of models, and execution of the simulations, among other aspects. Furthermore, obtaining results and drawing conclusions from them requires a high degree of specialization and the use of software that is often expensive. The present thesis uses numerical simulation to replicate the blood flow in the carotid arteries. It uses the results to guide the diagnosis and prognosis of patient progress. It develops a methodology for the creation of numeric models using data provided by CTA and Doppler ultrasound, both of which are used in routine clinical practice. From the images contained in the files with DICOM format resulting from the CTA, the geometries of carotid arteries of patients are reproduced. The data provided by the ultrasound velocities are used to obtain velocity curves in the inputs, outputs and areas of interest within the carotid artery. Models of carotid arteries are also built with CAD tools. OpenFOAM®; is used for model meshing, solving the equations that govern the fluid movement and obtaining the relevant hemodynamic variables such as carotid wall shear stress. The Womersley boundary condition for velocities, which is the most suitable one for simulating pulse flows in carotid arteries, is implemented in this software environment. In cases of moderate stenosis, a diagnosis by a specialist is added. A comparison between a pre- and postoperative situation was made in order to take it into account for any proposals of hemodynamic improvement. The pre-processing, processing and post-processing were performed almost entirely with open source tools such as vmtk, enGrid, ParaView and OpenFOAM®.El ictus es una de las principales causas de muerte e invalidez en España y en el mundo occidental. Su origen se debe, en muchos casos, a la acumulación de placas de ateromas en las paredes de las arterias carótidas. La revascularización carotídea, puede ser la solución elegida por el especialista. Dicha elección depende directamente de la sintomatología del paciente, del diagnóstico efectuado y de los posibles riesgos vs. beneficios, vinculados a realizar la intervención. La hemodinámica juega un papel fundamental en la toma de cualquier decisión. Su análisis con métodos convencionales como la ecografía Doppler, la angiografía por tomografía computarizada (angio-TC) y por resonancia magnética (angio-RM), puede ser enriquecido con la simulación numérica del flujo sanguíneo en la zona de interés, utilizando técnicas de fluidodinámica computacional (CFD). El resultado de las simulaciones podría ser utilizado para realizar un mejor diagnóstico y proponer mejoras hemodinámicas, durante la intervención o tratamiento. También aportaría nuevas conclusiones sobre la posible evolución del paciente. No obstante, realizar estos estudios computacionales y llegar a conclusiones válidas, presenta un alto grado de dificultad en la actualidad. Esta dificultad viene dada por el estado de la técnica y la no existencia de un consenso científico en cuanto a aspectos clínicos, toma y procesamientos de los datos, reproducción de geometrías, construcción de los modelos y a la propia realización de las simulaciones, entre otros. Al mismo tiempo obtener resultados y llegar a conclusiones a partir de estos, requiere de un alto grado de especialización y el uso de software que, en general, tiene un elevado coste económico. En el presente trabajo de tesis se emplea la simulación numérica para reproducir la circulación del flujo sanguíneo en las arterias carótidas. Utiliza los resultados para influir tanto en el diagnóstico, como en el pronóstico de la evolución del paciente. Se elabora una metodología para la creación de modelos numéricos utilizando los datos que aporta el angio-TC y la ecografía Doppler, ambas técnicas empleadas en la clínica habitual. A partir de las imágenes contenidas en ficheros con formato DICOM, resultados del angio-TC, se reproducen las geometrías de carótidas de pacientes y con los datos proporcionados por la ecografía Doppler se obtienen curvas de velocidades en las entradas, salidas y zonas de interés dentro de la arteria carótida. Son construidos además modelos de carótidas con herramientas CAD. OpenFOAM® es utilizado para realizar el mallado de los modelos, la resolución de las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido y la obtención de variables hemodinámicas relevantes como la tensión de cizallamiento en la cara interna de la pared arterial carotídea. En el entorno de este software se implementa la condición de contorno Womersley para las velocidades, que es la más apropiada para simular de flujos pulsátiles en las carótidas. Para el caso de una estenosis moderada, se complementa un diagnóstico realizado por el especialista. Se ha efectuado una comparativa entre una situación pre y postperatoria con el objetivo de tenerla en cuenta ante posibles propuestas de mejoras hemodinámicas. El trabajo de pre-procesado, procesado y post-procesado ha sido realizado casi en su totalidad con herramientas de código abierto como vmtk, enGrid, ParaView y OpenFOAM® entre otra